prel plasma

46 ELECTROTEHNOLOGII

IV. PROCESAREA CU PLASMĂ

IV.1. Istoric şi perspective în procesarea cu plasmă

Noţiunea de “plasmă” a fost introdusă în anul 1928, de Irving Langmuir,

în legătură cu problema descărcărilor electrice în gaze, când s-a considerat că

plasma este un amestec de electroni, ioni pozitivi şi atomi neutri.

Plasma reprezintă cea de-a patra stare a materiei. În general când ne

referim la o stare de agregare vorbim de stare solidă, lichidă sau gazoasă (Figura

4.1). Trecerea dintr-o stare în alta se face prin transferul unei cantităţi de energie

termică. Pentru a evidenţia importanţa substanţei aflate în stare de plasmă trebuie

precizat că aproximativ 99% din materia universului se află sub această stare de

agregare. Şi în interiorul plasmei pot apărea diferite fenomene mecanice, termice,

electrice, în care sunt implicate sarcinile şi câmpurile sau procese elementare de

ionizare, recombinare, absorbţie şi emisie de radiaţie.

Fig. 4.1. Cele patru stări ale materiei

Dezvoltarea prelucrărilor neconvenţionale este strâns legată de studiile şi

descoperirile efectuate în ceea ce a devenit o azi o ştiinţă, fizica plasmei.

Începând cu primele observaţii ale lui Michael Faraday în 1830, asupra

descărcării luminiscente şi apoi cu Hittorf şi Crookes, care au sugerat existenţa

celei de-a patra stări prin fenomenele din tuburi de descărcare, în 1869 şi 1879,

fiecare pas mic realizat a constituit o bază teoretică pentru a înţelege mai bine

fenomenele ce se petrec în plasmă. Astfel, Townsend defineşte în 1903

coeficienţii de ionizare şi puţin mai târziu, Langevin dezvoltă teoria recombinării

şi mobilităţii. Langmuir împreună cu Tonks dă prima teorie a coloanei pozitive în

1929, iar Druyvesteyn (1930), Morse, Allis, Laman, Davidov (1935) şi Margenau

(1946) au contribuit la determinarea distribuţiilor energetice ale purtătorilor de

sarcină în plasmă. [Săl, Pop 3, w 15]

În acelaşi timp cu aceste descoperiri şi cercetări a început construcţia

primelor generatoare de plasmă. La începutul secolului XX producerea

temperaturilor înalte nu prezenta interes, deoarece încă nu erau disponibile

materiale rezistente la asemenea temperaturi (pentru construcţia catozilor, a

ajutajelor, etc.).

Astfel, primul generator pentru utilizări industriale a fost conceput în 1909

de Schönherr. Acest echipament funcţiona la o tensiune de 7200V şi era folosit la

PROCESAREA CU PLASMA 47

fabricarea anilinei şi sodei. În 1911, Matters realizează un generator cu jet de

plasmă pentru încălzirea cuptoarelor de topire şi prima tăiere de calitate cu

plasmă a fost făcută de către Nimes în 1921. Pentru încălzirea şi topirea

materialelor, Siemens a construit în 1934 un generator de plasmă, pentru ca cinci

ani mai târziu, Reinecke să elaboreze un echipament de metalizare a pieselor.

Implicarea armatei americane prin investiţii la nivelul cercetării în acest

domeniu conduce în anul 1941 la apariţia primelor tehnologii speciale de sudare

cu arc, înrudite cu prelucrările cu plasmă actuale (TIG – tungsten inert gas).

Studiile ulterioare au dovedit că prezenţa ajutajului, a orificiului de ieşire a

gazului înseamnă constrângerea arcului şi a gazului inert pe dimensiuni mici, cu

efect de creştere a vitezei de prelucrare şi a temperaturii din zona influenţată a

materialului (Figura 4.2). După părăsirea orificiului, arcul se găseşte în interiorul

unui jet de plasmă la temperaturi foarte ridicate, mai mari decât la arcul liber.

Fig. 4.2. Distribuţia temperaturilor şi forma arcului la TIG şi arc de plasmă

Cercetările mai recente au perfecţionat aceste echipamente şi este clar că

procesarea materialelor cu plasmă a cunoscut un real progres în ultimii 30 ani,

când a fost introdusă instalaţia cu plasmă a cărui arc este stabilizat cu jet de apă.

Instalaţiile moderne de prelucrare cu plasmă au înlocuit treptat tehnicile învechite

acolo unde rezultatele erau nesatisfăcătoare şi s-au impus unde investiţia în

echipamente cu fascicule dirijate (radiaţie laser sau fascicul de electroni) nu

putea fi amortizată. Precizia de prelucrare la plasmă, deşi mai mică decât la

prelucrarea cu fascicule dirijate reprezintă o soluţie optimă datorită costurilor de

funcţionare şi de întreţinere mai mici.

În prezent generatoarele de plasmă utilizate permit obţinerea unor tăieri în

metale dure, folosite în construcţia avioanelor, rachetelor şi navelor, a unor

suduri de materiale greu prelucrabile sau a unor tratamente şi acoperiri cu straturi

dure şi rezistente la temperaturi înalte. Aceste rezultate sunt posibile prin

concentrarea energiei unor surse termice ce produc încălziri puternice ale

materialelor.

Alte domenii de interes pentru plasmă sunt industria constructoare de

maşini, industria chimică, industria sticlei şi ceramică, fabricarea plasticului,

ingineria mecanică, medicina, tehnica iluminatului, construirea surselor spectrale.


Generatoarele de plasmă folosite în aplicaţiile de prelucrare industriale au

puteri cuprinse între 10kW şi 100kW, majoritatea sunt alimentate în curent

continuu. Temperatura plasmei obţinută în zona de prelucrare variază între 7000

şi 15000°K şi depinde de natura gazului utilizat (argon, hidrogen, azot, amestec

din aceste gaze), fiind posibilă prelucrarea unor materiale precum: oţeluri, cupru,

aluminiu, titan, nichel, cobalt, inconel, aur, argint, tantal, etc.

IV.2. Fizica generării plasmei termice

Din punct de vedere microscopic plasma este un sistem de particule

neutre, particule încărcate, cuante de radiaţie şi câmpuri electromagnetice într-o

continuă interacţiune. Ionii sunt mult mai grei decât electronii şi se poate

considera, într-o primă aproximaţie, că electronii sunt cei care se mişcă într-un

fond continuu pozitiv. Deci starea de plasmă este caracterizată printr-o

conductivitate termică ridicată, comparabilă cu cea a metalelor la temperatura

mediului. [Săl]

Deşi global sistemul se află într-o stare de cvasineutralitate (numărul

sarcinilor pozitive este aproximativ egal cu numărul sarcinilor negative), local au

loc fluctuaţii de concentraţii de electroni, ceea ce provoacă o abatere de la această

stare şi determină apariţia oscilaţiilor în plasmă, a unui câmp electrostatic intens,

care tinde să restabilească starea iniţială.

Plasma apărută în urma descompunerii atomilor în electroni şi ioni sub

acţiunea temperaturilor înalte se numeşte plasmă termică. Ea apare cu precădere

în cazul arcului electric. Deoarece gazul aflat într-o astfel de stare, se deosebeşte

esenţial de cel aflat în condiţii normale de temperatură şi presiune, plasma este

considerată a patra stare a materiei.

Plasma ajunsă într-o stare cvasistaţionară, caracterizată prin temperatura

absolută T, gradul de ionizare x şi presiunea p este definită de relaţia lui Saha:

Tk

UeTAp

x

x 05,224

2

2

exp104,21

(4.1)

unde A este o constantă ce depinde de greutăţile electronului, ionului şi

atomului;

k=1,38·10-23

J/K - constanta lui Boltzmann;

U - tensiunea de ionizare, în [V];

e0 - sarcina elementară a electronului, în [As].

IV.2.1. Caracteristicile termodinamice ale plasmei

Există mai mulţi parametrii ce caracterizează plasma şi în funcţie de care

se realizează diferite clasificări ale acestei stări. [Pop 2, Fir, Săl]

Concentraţia plasmei se exprimă prin numărul particulelor în unitatea de

volum. Se obişnuieşte să se definească trei tipuri de concentraţii:

- concentraţia ionilor pozitivi ni;

- concentraţia electronilor ne;

- concentraţia particulelor neutre nn.


Condiţia de cvasineutralitate, şi implicit de existenţă a plasmei, este

îndeplinită doar dacă concentraţia electronilor este egală cu concentraţia ionilor

pozitivi, aceasta purtând denumirea de concentraţie a plasmei n.

nnn ei [particule/m3] (4.2)

Gradul de ionizare se defineşte ca fiind raportul dintre concentraţia ionilor

pozitivi ni şi suma concentraţiilor ionilor şi particulelor neutre nn:

ni

i

nn

nx

(4.3)

În funcţie de gradul de ionizare plasmele se împart în:

- plasme puternic ionizate, cu un grad de ionizare apropiat de 1 (10-2

< x <1),

specifice fuziunii termonucleare, în generatoarele magnetohidrodinamice,

în soare, cu temperaturi de câteva milioane de grade;

- plasme mediu ionizate, cu gradul de ionizare cuprins în intervalul

10-4

...10-2

, specifice arcului electric, laserului cu gaz de mare putere, cu

temperaturi de până la 50000 ºK;

- plasme slab ionizate, cu un grad de ionizare foarte mic (x < 10-4

), specifice

descărcărilor în gaze rarefiate, cu temperaturi mai scăzute care pot să

coboare până la temperatura mediului ambiant.

Temperatura plasmei este determinată de energia cinetică medie a

particulelor şi depinde de natura acestora. Astfel se pot exprima temperatura

ionilor pozitivi Ti, temperatura electronilor Te şi temperatura particulelor neutre

Tn. Plasmele unde cele trei temperaturi sunt aproximativ egale se numesc plasme

de echilibru (termice sau de mare presiune). Aceste plasme sunt caracterizate prin

temperaturi mai mari de 4000ºK şi conductivitate termică ridicată. Plasmele de

neechilibru, denumite şi reci, sunt caracterizate printr-o abatere mare de la

echilibrul termodinamic local (Figura 4.3). [Pop 2, Fir, Săl]

Fig. 4.3. Influenţa presiunii asupra temperaturii electronilor şi particulelor grele


Temperaturile ridicate ale plasmelor termice favorizează o radiaţie intensă

şi determină valori ale coeficientului de transfer termic superioare acelora

obţinute în procedeele convenţionale de încălzire.

Lungimea de ecranare Debye λD reprezintă distanţa medie pe care se poate

produce separarea sarcinilor pozitive de cele negative. Cu alte cuvinte lungimea

de ecranare Debye dă ordinul grosimii maxime a stratului de sarcină spaţială ce

poate fi traversat de electroni din plasmă sub efectul agitaţiei termice şi se poate

calcula cu relaţia:

n

T

en

Tk eeD

69

2/1

2

0

0 [mm] (4.4)

unde ε0 = 8,8·10-12

F/m este permitivitatea vidului.

Dacă considerăm un volum cu dimensiuni liniare mai mici decât lungimea

Debye este posibil ca numărul ionilor să nu fie egal cu cel al electronilor şi

condiţia de cvasineutralitate discutată anterior să nu se mai îndeplinească.

Lungimea Landau λL reprezintă distanţa pentru care energia electrostatică

a unui electron este egală cu energia cinetică.

e

LTk

e

0

2

0

4 [mm] (4.5)

Dacă distanţa dintre electronii şi ionii plasmei (între particule) este mai

mare decât lungimea Landau, nu mai pot avea loc recombinări şi nu mai au loc

interacţiuni coulombiene. De aici şi condiţia de existenţă a plasmei:

DL (4.6)

Alte mărimi importante sunt: frecvenţa plasmei (Langmuir), mobilitatea

purtătorilor de sarcină, coeficientul de difuzie, conductibilitatea plasmei, drumul

liber mediu, presiunea cinetică, etc.

În consecinţă pentru a putea considera plasmă, materia trebuie să

îndeplinească cel puţin trei condiţii: [Fir, Săl]

1. Particulele încărcate electric interacţionează prin intermediul câmpurilor

electromagnetice.

2. Concentraţia sarcinilor pozitive este egală cu cea a sarcinilor negative

(îndeplinirea condiţiei de cvasineutralitate), relaţia 4.2.

3. Dimensiunile volumului plasmei sunt mult mai mari decât lungimea de

ecranare Debye.

IV.2.2. Generarea plasmei termice şi zonele arcului electric

La o anumită temperatură, presiune şi grad de ionizare, plasma se află într-

un echilibru dinamic: electronii şi ionii se unesc în permanenţă pentru a forma

atomi, iar aceştia se descompun în urma ciocnirilor în ioni şi electroni. Altfel


spus, un gaz supus continuu unui bombardament de electroni acceleraţi este

sediul unor procese de excitare, dezexcitare, ionizare şi recombinare, care se

desfăşoară neîntrerupt.

Conversia gazului în plasmă presupune un suport energetic pentru

disocierea, respectiv ionizarea moleculelor, suport oferit de arcul electric (în

cazul plasmei de arc) sau de câmpul energetic de înaltă frecvenţă (în cazul

plasmei de inducţie). Arcul electric este o descărcare electrică stabilă care poate

produce un curent foarte mare, până la mii de amperi, între doi electrozi, aflaţi în

mediu gazos sub presiune, la o diferenţă de potenţial relativ redusă, sub 300V.

Arcul electric se deosebeşte de alte tipuri de descărcări electrice în gaze,

prin prezenţa coloanei pozitive aflate într-un echilibru termodinamic. În figura

4.4 sunt prezentate principalele descărcări care au loc în funcţie de intensitatea

curentului. [Fir, Săl, Pop 3]

Fig. 4.4. Dependenţa diferenţei de potenţial de curentul de descărcare

Repartizarea tensiunii arcului pe lungimea sa (Uarc), prezentată în figura

4.5, arată trei zone distincte: zona catodică (Uk), zona anodică (Ua) şi coloana

arcului (Uc), dependente de intensitatea curentului, de mediu şi de materialul

electrozilor.

Fig. 4.5. Zonele arcului electric delimitate de repartiţia tensiunii arcului


Natura gazului influenţează considerabil valoarea tensiunii arcului prin

gradul de ionizare, deoarece pentru aceeaşi energie furnizată temperatura este

mai redusă la gazele biatomice decât în cazul gazelor monoatomice, şi prin

pierderile coloanei arcului, datorate conducţiei termice.

Spre deosebire de metale, unde curentul este dat de mişcarea electronilor,

la arcul electric curentul este dat de mişcarea electronilor şi ionilor, între care

există un schimb de energie datorat ciocnirilor. Tensiunea aplicată între electrozi

determină apariţia unui câmp electric axial, sub acţiunea căruia electronii şi ionii

sunt acceleraţi, deplasându-se în direcţii opuse. Deoarece electronii au viteze

mult mai mari decât ionii se poate considera că întregul curent este determinat de

mişcarea electronilor (v+=4,25·10

-3·v

-).

În zona catodică electronii emişi de catod sunt acceleraţi de câmpul

electric al catodului şi pătrund cu o energie cinetică de valoare ridicată în coloana

arcului. Simultan ionii gazului care ies din coloană sunt acceleraţi şi lovesc

catodul. Emisia de electroni se produce neuniform pe catod, pe o zonă numită

pată catodică.

Prin intermediul coloanei arcului se transmite continuu energie sub formă

de căldură în direcţie radială spre periferia coloanei. În această zonă au loc

procese rapide şi permanente de excitare, dezexcitare, ionizare, recombinare la

temperaturi foarte ridicate (până la 50000ºK), întreaga zonă fiind caracterizată

printr-o luminozitate puternică. Pentru a menţine constante temperatura şi

curentul prin coloană este necesar ca densitatea de electroni şi secţiunea zonei

conductibile să fie păstrate constante.

Zona anodică are dimensiuni similare cu cea catodică. Electronii care

sosesc din coloana arcului sunt acceleraţi şi ciocnesc anodul, cedând toată

energia acumulată sub formă de căldură. Fluxul termic intens provoacă o

încălzire puternică a anodului, motiv pentru care se obişnuieşte ca acesta să fie

răcit.

Răcirea forţată are ca efect primar scăderea temperaturii zonelor

exterioare ale arcului şi a razei acestuia, ceea ce conduce la creşterea densităţii de

volum la aceeaşi energie disipată în arc. În acest mod temperatura în plasmă

creşte mult mai mult decât în cazul arcului liber.

Avantajele încălzirii cu plasmă sunt:

- densitate de putere ridicată (până la 105W/cm

2);

- concentrarea energiei termice pe arii restrânse;

- inerţie termică mică;

- posibilitatea prelucrării materialelor cu temperaturi foarte mari (de

exemplu topirea metalelor refractare).

IV.3. Structura generatoarelor de plasmă

În practică se cunosc foarte multe procedee de generare a plasmei termice,

iar instalaţiile cresc în complexitate cu gradul de ionizare pe care trebuie să îl

asigure. Particularităţile tehnologice şi condiţiile de lucru ale generatoarelor de

plasmă sunt date de tipul curentului, natura gazului plasmagen, forma şi

materialul electrodului, etc. [Fir, Săl, w 15]


După sursele de energie cu ajutorul cărora se produce plasma termică,

echipamentele de generare a plasmei se clasifică în:

- plasmă produsă cu arc electric alimentat în curent continuu;

- plasmă produsă cu arc de curent alternativ (monofazat sau trifazat), pentru

puteri mai mari de 100kW;

- plasma produsă cu un curent de înaltă frecvenţă, folosită atunci când se

lucrează la presiuni inferioare celei atmosferice şi la temperaturi apropiate

de 6000ºK.

După felul arcului principal instalaţiile pot fi:

- cu jet de plasmă (denumite şi instalaţii cu arc închis sau netransferat);

- cu arc de plasmă (denumite şi instalaţii cu arc deschis sau transferat);

- cu două arcuri electrice;

- cu arc de curent electric alternativ suprapus.

Modul de răcire al ajutajului instalaţiilor (orificiul de ieşire al plasmei)

este şi el important. Sistemele de răcire cele mai folosite sunt cu apă sau aer.

Comprimarea coloanei arcului şi fixarea acesteia în axa electrod-ajutaj, deci

stabilizarea arcului se poate face:

- prin insuflarea axială sau turbionară a gazului;

- cu jet de apă, în instalaţiile în care vaporii formaţi servesc drept mediu

plasmagen;

- cu ajutorul unui câmp magnetic longitudinal.

Fig. 4.6. Insuflarea gazului plasmagen axial sau turbionar

După tipul de material folosit la construcţia electrodului (catodului)

generatoarele de plasmă pot fi cu:

- electrod consumabil (grafit, cărbune), unde de obicei răcirea se face cu

apă sau alte lichide;

- electrod protejat (wolfram);

- electrod cu peliculă de protecţie.

Catodul generatorului are şi un rol suplimentar, deoarece arderea stabilă a

plasmei poate fi influenţată de acesta. Dacă curenţii sunt mari, în urma ciocnirilor

repetate se formează un număr mare de electroni care conferă o bună stabilitate

arcului de plasmă. Însă în cazul unor curenţi mai mici, temperatura plasmei este


mai mică şi ionizarea gazului plasmagen este redusă, ceea ce asigură o cantitate

scăzută de electroni. Deficitul trebuie compensat prin emisia termoelectrică a

catodului. Densitatea curentului de emisie este dat de relaţia 4.7.

Tk

LTAj ie

emisie exp2 [A/m2] (4.7)

unde T este temperatura absolută a catodului, în [K];

Lie - lucrul mecanic de ieşire al electronilor, în [W];

k - constanta Boltzman;

A ≈ 1,20×106 [A/(m

2K

2)] - constanta universală Richardson.

Intensificarea proceselor de emisie termoelectrică se poate realiza prin

mărirea temperaturii catodului sau prin reducerea tensiunii de ieşire a

electronilor. Reducerea potenţialului de extracţie a electronilor se face pentru

catodul de wolfram prin alierea cu elemente favorabile, precum toriu sau bariu.

Cea mai largă răspândire o au plasmele obţinute cu ajutorul arcului

electric alimentat în curent continuu, datorită faptului că permite utilizarea unor

presiuni aproximativ egale cu cea atmosferică şi obţinerea unor temperaturi ale

jetului la prelucrare apropiate de 15000ºK.

IV.3.1. Schema de principiu a generatorului cu arc de plasmă (arc

transferat)

În cazul generatorului cu arc de plasmă arcul electric arde între un electrod

de emisie, denumit catod, şi piesa de prelucrat. Electrodul este puternic încălzit

de piciorul arcului electric şi emite electroni prin efect termoelectric. O parte din

coloana arcului este constrânsă să treacă printr-un ajutaj răcit cu apă. Prin canalul

acestuia trece concomitent şi un curent de gaz plasmagen care se transformă în

plasmă. [Pop 2, Fir, Săl]

Figura 4.7 prezintă schema de principiu a generatorului cu arc de plasmă.

Fig. 4.7. Schema de principiu a generatorului cu arc de plasmă


Gazul care spală pereţii ajutajului formează un strat protector pentru

porţiunea ajutajului cu care se află în contact coloana arcului electric. Pereţii

duzei ajutajului, răcit forţat, răcesc jetul fierbinte de gaz ionizat de arc,

producând recombinarea ionilor şi electronilor. Prin urmare, datorită presiunii,

coloana arcului este comprimată, densitatea de curent creşte şi o dată cu ea creşte

şi temperatura.

La comprimarea plasmei concură pe lângă un efect termodinamic datorat

gradientului radial de temperatură şi un efect de autoconstrângere

electromagnetic (efect Pinch). Repartizarea temperaturii favorizează trecerea

arcului electric prin zona centrală a canalului, deoarece temperatura mai ridicată

asigură o conductibilitate sporită. Efectul de strangulare Pinch se bazează pe

forţele de atracţie care există între liniile de curent paralele de acelaşi sens, care

constituie curentul total al arcului de plasmă.

Fenomenul de deplasare a gazului ionizat a fost studiat de Maecker, care a

arătat că forţa F sub acţiunea căreia are loc această deplasare şi care produce o

reacţiune F’ asupra catodului se exprimă cu relaţia:

1

2

2

2

lnd

d

c

IF [N] (4.8)

unde I reprezintă intensitatea curentului din arc, în [A];

d1 - diametrul secţiunii strangulate, în [mm];

d2 - diametrul secţiunii libere, în [mm];

c=3·108m/s - viteza luminii.

Înaintea aprinderii arcului de plasmă, folosit în mod special la tăiere, se

aprinde un arc pilot între electrod şi ajutaj, conectat în scurtcircuit printr-o

rezistenţă de balast.

Pentru amorsarea arcului pilot se folosesc oscilatoare de înaltă frecvenţă

(aproximativ 100kHz), care asigură tensiuni de 1000V...5000V şi curenţi de

ordinul mA. Arcul pilot creează prima condiţie necesară amorsării arcului de

plasmă, anume ionizarea spaţiului electrod-ajutaj-piesă. A doua condiţie este

crearea câmpului pentru dirijarea particulelor electrizate de la electrod la piesă.

Această condiţie este îndeplinită dacă se aduce generatorul de plasmă deasupra

piesei metalice, legate la polul pozitiv al sursei de curent continuu.

Dacă spaţiul descărcării este bine ionizat şi câmpul electric suficient de

puternic, prin spaţiul jetului de plasmă se va forma arcul de plasmă, pata anodică

mutându-se de pe ajutaj pe piesă. În timpul trecerii de la funcţionarea cu jet de

plasmă la arc de plasmă, debitul de gaz plasmagen trebuie mărit pentru a izola

coloana arcului de ajutaj, evitându-se formarea arcului secundar.

IV.3.2. Schema de principiu a generatorului cu jet de plasmă (arc

netransferat)

În cazul generatoarelor cu jet de plasmă alimentate în curent continuu,

arcul electric arde între un electrod, legat la polul negativ al sursei, şi ajutajul

realizat de obicei din cupru, legat la polul pozitiv al sursei de alimentare.


Arcul electric care se formează se numeşte arc pilot şi are rolul de ionizare

a gazului de lucru care trece prin spaţiul de descărcare. Plasma obţinută este

neutră din punct de vedere electric şi părăseşte ajutajul sub forma unui jet

luminos.

În figura 4.8 se prezintă schema de principiu a unui generator cu jet de

plasmă. [Pop 2, Fir, Săl]

Fig. 4.8. Schema de principiu a generatorului cu jet de plasmă

IV.3.3. Tipul gazelor plasmagene

Calitatea prelucrărilor depinde de gazul folosit pentru ionizare, de

proprietăţile fizico-chimice ale acestuia. Gazele plasmagene cele mai folosite pot

fi împărţite în gaze monoatomice: argon (Ar) şi heliu (He), respectiv gaze

biatomice: azot (N2) şi hidrogen (H2). Ele au în primul rând rolul de formare a

plasmei, iar apoi de a proteja electrozii de oxizi şi a contribui la sistemul de

răcire. Gazele plasmagene se aleg în funcţie de temperatura şi viteza de

prelucrare dorită. [Săl]

Din punct de vedere al protecţiei pieselor generatorului de plasmă şi a

metalului, gazele monoatomice sunt recomandate, însă transportul de căldură la

piesa de prelucrat, pentru tensiunile de ionizare la argon de 15,80V şi la heliu de

24,60V, este mai mic. Transportul de căldură se datorează în cazul gazelor

monoatomice doar reacţiei ionizare-dezionizare. Astfel, în regiunile cu

temperaturile cele mai mari, în jurul duzei, gazul se ionizează absorbind căldură

după relaţia:

eAA (4.9)

unde A este atomul de gaz;

A+ - ion pozitiv;

e- - electron eliberat.


Când plasma ajunge în vecinătatea anodului, unde temperaturile sunt mai

scăzute, are loc dezionizarea cu cedarea căldurii acumulate, după relaţia:

AeA (4.9)

Gazele biatomice, permit creşterea vitezei de lucru prin creşterea cantităţii

de căldură transportate. Deşi această categorie de gaze plasmagene au tensiuni de

ionizare mai mici, la azot 13,60V şi la hidrogen 14,60V, şi transportul de căldură

pe baza reacţiei ionizare-dezionizare mai scăzut, în total apare un surplus de

căldură datorat reacţiei disociere-recombinare conform relaţiilor:

AA 22 (4.10)

22 AA (4.11)

În mediile biatomice prima reacţie este cea de disociere şi apoi cea de

ionizare. Spre exemplu moleculele de hidrogen sunt separate în procent de 90%

la 5000ºK, în timp ce moleculele de azot se disociază în apropierea temperaturii

de 8500ºK. Ionizarea începe pentru azot la 8000ºK şi se termină la peste

20000ºK. Hidrogenul are în comparaţie cu azotul o conductivitate termică mai

bună şi o energie de disociere mai mică, însă plasma realizată necesită o tensiune

mai mare a arcului electric şi are de obicei o temperatură de sub 6000ºK.

Argonul nu posedă reacţii de disociere şi ionizarea începe pe la 9000ºK,

procesul fiind terminat la o temperatură mai mare de 22000ºK. Temperatura

ridicată şi stabilitatea arcului la tensiuni de alimentare mai mici au impus

folosirea acestuia la fabricarea plasmei. Caracteristic generatoarelor cu gaze

monoatomice este strălucirea mai mare şi grosimea mai mică a jetului de plasmă,

dar şi preţul de cost mai mare.

În figura 4.9 se prezintă distribuţia temperaturii pentru plasma produsă cu

argon şi plasma produsă cu azot la ieşirea din ajutaj. [w 16]

Fig. 4.9. Distribuţia temperaturii în plasma cu argon şi cu azot

Cele mai grele condiţii de lucru sunt date de prezenţa oxigenului în gazele

biatomice, ceea ce produce la bombardamentul ionic al electrodului, oxidarea şi


distrugerea acestuia. Pentru îmbunătăţirea performanţelor se foloseşte în

generatoarele de plasmă amestecul de gaze (se introduc în amestec gaze inerte,

cum sunt argonul şi heliul), ceea ce conduce la o conservare mai bună a

electrodului. Un alt mijloc de protecţie al catodului constă în introducerea

turbionară a gazului în jurul electrodului, rezultând o scădere a presiunii şi a

bombardamentului ionic.

IV.3.4. Fenomene fizice în generatoarele de plasmă

În plasmă deplasarea particulelor electrizate (electroni şi ioni) are loc nu

doar din cauza câmpurilor electrice, ci şi din cauza distribuţiei lor neuniforme în

spaţiul de descărcare, adică diferenţelor de concentraţie. În cazul arcului electric,

constrâns de pereţii răciţi ai ajutajului şi de un gaz rece neionizat din imediata

vecinătate a pereţilor, va apărea un gradient al concentraţiei particulelor

electrizate care scade în vecinătatea pereţilor reci. Deoarece această scădere se

manifestă atât pentru electroni cât şi pentru ioni difuzia se numeşte ambipolară şi

este caracterizată prin coeficientul de difuzie Damb, care depinde de natura

gazului şi de presiune.

Între câmpul electric radial şi coeficientul de difuzie există relaţia:

ei

iambc

kk

VD

RE

405,2 [N/C] (4.12)

unde Vi este potenţialul de ionizare a gazului, în [V];

R - raza tubului de descărcare, în [mm];

ki, ke - coeficienţi de mobilitate a ionilor şi electronilor;

α - parametru ce depinde de puterea consumată pentru ionizare.

Se evidenţiază în relaţia 4.12 dependenţa dintre câmpul electric radial şi

raza cilindrului (ajutajului). Astfel dacă această rază se micşorează prea mult

rezultă o creştere exagerată a câmpului electric radial şi provoacă formarea

arcului secundar la generatoarele cu arc de plasmă, prin străpungerea stratului

izolator de gaz rece din vecinătatea pereţilor şi ruperea coloanei arcului. Apar

legături galvanice între coloană şi ajutaj, ceea ce duce la o închidere nedorită a

circuitului electric. Mărimea arcului secundar este cu mai mare cu creşterea

intensităţii câmpului. [Săl, Cio]

Apariţia arcului poate fi şi consecinţa unei creşteri a curentului de plasmă

în timpul funcţionării, datorită micşorării lungimii arcului. Compensarea

efectului se face prin introducerea suplimentară a unei cantităţii de gaz pentru

izolarea electrică a coloanei arcului. Totuşi, un debit de gaz prea mare poate să

ducă la o răcire prea intensă a arcului şi acesta devine instabil, fiind posibilă

stingerea lui.

Figura 4.10 evidenţiază atât zona optimă de funcţionare a arcului electric

cât şi caracteristica limită de apariţie a arcului secundar, respectiv cea a arderii

instabile. [Pop 2]


Fig. 4.10. Variaţia debitului de gaz în funcţie de curentul arcului electric

Funcţionarea corectă a generatoarelor cu plasmă are un rol important în

rezistenţa componentelor acestuia. Un astfel de exemplu reprezintă uzura

prematură a ajutajului, care poate fi exprimată prin bilanţul termic din relaţia

4.13.

mpc QQQ (4.13)

unde Qc este energia termică cedată ajutajului de coloana arcului de plasmă;

Qp - cantitatea de căldură care determină uzura termică a pereţilor

ajutajului;

Qm - cantitatea de căldură transmisă prin conducţie masei ajutajului.

Pentru a micşora uzura ajutajului este necesară asigurarea transferului

căldurii în masa ajutajului şi folosirea unor materiale pentru acesta cu

conductibilitate termică, căldură specifică, temperatură de topire ridicate, cum

sunt: wolfram, oţel, cupru, grafit, zirconiu.

Uzura termică a ajutajelor este accelerată de:

- formarea arcului secundar;

- centrarea necorespunzătoare a electrodului;

- devierea coloanei arcului de plasmă de la axa geometrică;

- scurtcircuitarea spaţiului ajutaj-piesă.

IV.4. Electrotehnologii bazate pe utilizarea plasmei

Plasma este folosită la prelucrări specifice metalurgiei, chimiei, în

energetica nucleară, mecanica fină şi aerospaţială, la : tăiere, sudare, strunjire,

frezare, metalizare, găurire ca şi sculă sau pentru asistarea operaţiilor de

prelucrare prin aşchiere.

Principalii parametrii care caracterizează procesul de încălzire limitată

sunt:

- viteza de încălzire vi;

- intensitatea curentului de electric al plasmei Ip;

- natura şi debitul de gaz plasmagen Q;


- tensiunea arcului electric Uarc;

- poziţionarea generatorului de plasmă.

Tensiunea şi curentul de lucru determină puterea generatorului, adică

energia disipată în unitatea de timp:

parct IUE [kW] (4.14)

În realitate tensiunea arcului este determinată de gazul plasmagen şi de

lungimea arcului de plasmă, iar în scopuri tehnologice se obişnuieşte să se

acţioneze asupra curentului de plasmă şi a debitului de gaz plasmagen. Aceşti doi

parametrii au valori dependente de grosimea şi lăţimea materialelor de prelucrat

ce vor fi încălzite.

Bilanţul energetic al procesului de încălzire zonală cu plasmă este

reprezentat în figura 4.11, şi este dat de relaţia:

czucit EEEEEE (4.15)

unde Et este energia totală debitată de sursă;

Ei - cantitatea de energie transferată piesei;

Ec - energia transmisă mediului ambiant prin coloana arcului;

Eu - energia utilă necesară încălzirii piesei;

Ez - energia disipată în zona piesei influenţată termic.

Fig. 4.11. Bilanţul energetic al procesului de prelucrare cu plasmă

Eficacitatea procesului de încălzire se exprimă prin valoarea

randamentului total:

t

cz

t

uigpt

E

EE

E

E 1 (4.16)

unde randamentul generatorului de plasmă, cu valori cuprinse între 0,6 şi 0,85%,

reprezintă raportul:

t

igp

E

E (4.17)


şi randamentul de încălzire este dat de relaţia:

i

ui

E

E (4.18)

Se observă din relaţia 4.16 că randamentul procesului de încălzire cu

plasmă creşte doar dacă se reduc pierderile de energie din zona de lucru şi a celor

din mediul înconjurător, prin reducerea timpului de transport al energiei de la

generatorul de plasmă la piesa de prelucrat.

Viteza de încălzire a materialului este dependentă te energia utilă şi de

proprietăţile materialului după relaţia 4.19. [Pop 2, Săl, Cio]

i

ui

tbc

Ev

[m/s] (4.19)

unde c reprezintă căldura specifică a materialului, în [J/kg·K];

γ - greutatea specifică a materialului;

b - lăţimea zonei de material încălzite, în [mm];

δ - grosimea zonei de material încălzite, în [mm];

vi - viteza de încălzire, în [m/s];

ti - temperatura de încălzire, în [K].

Înlocuind în relaţia 4.19 relaţiile 4.14 şi 4.16 rezultă:

i

parct

itbc

IUv

[m/s] (4.20)

Relaţia 4.20 confirmă faptul că o creştere a vitezei de lucru se obţine dacă

se măreşte intensitatea curentului plasmei, folosind debitul de gaz plasmagen, în

corelaţie cu grosimea şi lăţimea stratului de material prelucrat. Tensiunea arcului

de plasmă este compusă din tensiunea în zona catodică, tensiunea în zona

coloanei arcului şi tensiunea din zona anodică.

ackarc UUUU [kV] (4.21)

IV.4.1. Tăierea cu arc de plasmă

Tăierea materialelor cu plasmă face parte din categoria proceselor

tehnologice de tăiere prin topire, aplicându-se materialelor metalice şi cu

precădere oţelurilor înalt aliate, refractare şi inoxidabile, aliajelor de aluminiu,

cupru, titan, magneziu. Datorită puterii specifice mari necesare tăierii

materialelor cu grosimi până la 100...125 mm, se foloseşte generatorul cu arc de

plasmă, prezentat în figura 4.12, unde electrodul are o polaritate negativă şi piesa

o polaritate pozitivă. Vitezele de tăiere sunt de 250...1250mm/min, cu o zonă

influenţată termic de aproximativ 1 mm. În cazul în care grosimea este mai mică

de 10 mm se practică uneori şi tăierea cu jet de plasmă (cu arc netransferat).


Tăierea unei piese metalice prin topire presupune distrugerea legăturilor

coezionale în lungul tăieturii prin încălzire puternică. Avantajele generale ale

tăierii cu plasmă sunt definite de calitatea bună a suprafeţelor rezultate, grosimea

redusă a zonei influenţate termic şi de viteza ridicată de tăiere.

Cele mai multe sisteme folosesc electrod de tungsten, iar plasma este

generată cu ajutorul argonului, azotului sau amestecului de argon-hidrogen.

Există şi echipamente cu gaz plasmagen oxigen sau cu amestec de gaze ce conţin

oxigen, cum este aerul, dar atunci electrodul este realizat din cupru cu peliculă de

hafniu. Debitul de gaz are un rol esenţial în funcţionarea corectă a

echipamentului şi depinde de intensitatea curentului şi diametrul ajutajului. Un

debit necorespunzător duce la apariţia arcului secundar (Figura 4.12). [Luc, Săl]

Fig. 4.12. Procesul de tăiere cu arc de plasmă

Viteza de tăiere, un alt parametru determinant al procedeului prezentat, se

poate aproxima cu relaţia 4.20, iar apoi având ca bază această valoare se

determină experimental viteza optimă de tăiere. Practic această viteză nu este

unică, deoarece ea se alege în funcţie de calitatea dorită şi destinaţia

semifabricatului. Există o strânsă legătură între lăţimea tăieturii şi viteza de

tăiere.

O viteză de tăiere cu generatoare cu arc de plasmă prea mare face ca pata

anodică (piciorul arcului electric) să se plaseze foarte aproape de faţa superioară

a piesei, rezultând o tăietură în formă de V, deoarece temperaturile în porţiunea

superioară sunt considerabil mai mari decât cele din porţiunea inferioară (Figura

4.13). Astfel la o anumită viteză, numită viteză limită de tăiere vL, lăţimea din

partea inferioară devine nulă şi semifabricatul nu va mai fi tăiat.

La capătul opus se află o viteza mai mică, la care feţele tăieturilor sunt

paralele, vE. O altă consecinţă a unei viteze prea mici poate să fie formarea

picăturilor mari de material topit care aderă pe faţa de jos a semifabricatului şi nu

mai pot fi evacuate, rezultând o viteză limită de netezire, vN. Ca ordin de mărire

avem:

LNE vvv (4.22)


Fig. 4.13. Repartiţia temperaturii în arcul de plasmă şi aşezarea petei anodice la tăiere

În tabelul 4.1 sunt prezentate vitezele de tăiere calculate cu relaţia 4.19 şi

vitezele rezultate experimental, pentru diferite materiale în funcţie de energia

generatorului cu arc de plasmă şi de proprietăţile materialelor. [Săl]

Tabelul 4.1

Material δ

[mm] b

[mm]

UarcIp

[kW] ηt

viteza [m/oră]

calculată experimentală

Cupru

20 7 44 0,16 31,6 30

30 7 48 0,11 15 12

40 7 52 0,07 8 10

50 8 56 0,06 5,4 6

Aluminiu

10 4,6 30 0,34 28 31

25 5,1 28 0,2 54 48

40 4,8 28 0,13 25 26

50 5,6 43 0,2 38 34

Oţel inoxidabil

10 6,5 21 0,38 84 80

30 8 42 0,37 30 30

40 9 45 0,37 21 20

50 9 50 0,37 18 15

De-a lungul timpului instalaţiile de tăiere cu plasmă au fost modernizate,

cu scopul de a îmbunătăţii calitatea tăieturii, viteza de prelucrare şi stabilitatea

arcului, respectiv pentru a reduce zgomotul şi praful.

O instalaţie apropiată de cea convenţională, prezentată în figura 4.12, este

instalaţia de prelucrare cu plasmă care foloseşte două gaze: gazul plasmagen şi

un gaz de protecţie introdus în jurul ajutajului, cu rol de strangulare suplimentară

a arcului de plasmă şi de îndepărtare a materialului topit (Figura 4.14a). Gazul

plasmagen este argon, azot sau amestec argon-hidrogen, iar gazul de protecţie

este ales în funcţie de materialul tăiat:


- pentru oţel aer, oxigen, azot;

- pentru oţel inoxidabil azot, bioxid de carbon, argon cu hidrogen;

- pentru aluminiu argon cu hidrogen, azot;

Avantajele folosirii acestei instalaţii constă în diminuarea riscului de

apariţie a arcului secundar, obţinerea unei viteze de prelucrare mai mare şi

evitarea rotunjirii colţurilor suprafeţei superioare. [Săl, w 15]

Fig. 4.14. Tipuri de instalaţii de tăiere cu plasmă

Instalaţia din figura 4.14b foloseşte pe lângă gazul plasmagen (azot), un

sistem de injecţie axială a apei în arcul de plasmă pentru al constrânge.

Temperatura plasmei ajunge până la 30000ºK. Se obţin cu generatorul cu arc de

plasmă, cu injecţia axială a apei, o viteză mai mare şi o creştere a duratei de

funcţionare a ajutajului.

Se practică şi prelucrarea cu plasmă înconjurată de apă sau chiar cu piesa

scufundată într-un strat de apă, sub forma unei bariere, pentru reducerea prafului,

nivelului de zgomot sau eroziunii ajutajului (Figura 4.14c). Spre exemplu la o

intensitate mare a curentului plasmei cu această instalaţie nivelul zgomotului a

fost coborât de la 115db (generatorul cu arc de plasmă convenţional) la 96db, iar

prin tăiere sub strat de apă s-au obţinut valori cuprinse în domeniul 52...85db.

Gazul plasmagen inert sau nereactiv poate fi înlocuit cu aer, dar atunci se

impune folosirea unui electrod din cupru îmbrăcat în hafniu sau zirconiu. De

asemenea apa de răcire a echipamentului poate fi înlocuită cu aer. Datorită

înlocuirii gazului scump cu aer generatoarele de plasmă au un cost mai mic

(Figura 4.14d).


Creşterea semnificativă a calităţii tăieturilor se obţine folosind generatorul

cu arc de plasmă din figura 4.14e. Focalizarea şi strangularea puternică a jetului

de plasmă este realizată prin insuflarea turbionară a gazului plasmagen şi prin

injecţia unui gaz secundar. Unele sisteme conţin şi un câmp magnetic

longitudinal cu rol de stabilizare suplimentară a arcului. Tăietura realizată se

apropie de cea realizată cu radiaţie laser şi precizia prelucrării este sporită,

obţinându-se zone influenţate termic reduse. Principalul dezavantaj al acestui

procedeu este că nu se pot realiza decupări de semifabricate cu grosime mai mare

de 6 mm, iar viteza de tăiere este în general mai mică decât la prelucrarea cu alte

generatoare cu arc de plasmă şi este aproximativ la 60...80% din viteza de

prelucrare cu laser.

În figura 4.15 sunt prezentate câteva exemple de tăieri realizate cu arc de

plasmă în oţel, aluminiu şi oţel inoxidabil, folosind ca mediu plasmagen aerul sau

amestec de argon cu hidrogen (Ar-H2). [Olt]

Fig. 4.15. Exemple de tăieri cu plasmă

IV.4.2. Sudura cu plasmă

Sudura cu plasmă face parte din categoria procedeelor de sudare prin

topire în gaze şi poate fi considerată o extindere a procedeului TIG sau GTAW

(tungsten inert gas - sudură în mediu inert cu electrod nefuzibil de tungsten, gas

tungsten arc welding - sudură cu arc în mediu inert folosind electrod nefuzibil de

tungsten). [Săl]

Datorită constrângerii plasmei într-un orificiu de diametru mic (ajutaj)

acest procedeu de sudură prezintă următoarele avantaje:

- concentrare energetică superioară (500...600W/mm2), care permite

micşorarea zonei influenţate termic şi creşterea vitezei de sudare;

- arcul electric prezintă o bună stabilitate şi poate fi uşor dirijat pentru

suduri de colţ;

- procedeul permite modificarea lungimii arcului;

- sudura cu plasmă evită pătrunderea wolframului în zona de sudură datorită

inexistenţei contactului electrod-piesă;

- posibilitatea automatizării generatorului de plasmă;

- calitatea sudurii este superioară celei obţinute prin alte procedee clasice.


În figura 4.16 sunt prezentate cele două metode de sudare înrudite, pentru

a evidenţia forma şi lungimea arcului.

Fig. 4.16. Comparaţie între sudura TIG şi sudura cu plasmă

Sudura cu plasmă a apărut în 1964, ca o metodă superioară de control a

sudurii cu arc şi a început să se impună tot mai mult datorită rezultatelor de

calitate şi precizie ridicată. Gazul plasmagen cel mai folosit este argonul, iar

gazul secundar de protecţie poate fi argon, heliu sau amestec argon-hidrogen cu

rol de a reduce oxidarea cusăturii.

La sudura cu arc de plasmă poziţionarea echipamentului şi deci distanţa de

la ajutaj la piesă nu mai este critică pentru întreg procesul de prelucrare ca la alte

metode de sudare cu arc. Variaţia diametrul spotului este mică în zona piesei cu

modificarea lungimii arcului de plasmă (Figura 4.17).

Fig. 4.17. Dependenţa grosimii cusăturii de lungimea arcului la TIG şi plasmă

Se sudează cu plasmă continuu sau în puncte, cu una sau mai multe

treceri: oţeluri slab aliate şi inoxidabile, titan, inconel, zirconiu, tantal, cupru,

nichel, cobalt, aur, argint. [w 14, w 15]

Din punct de vedere al curentului arcului de plasmă sudura este:

- cu microplasmă, când intensitatea curentului este cuprinsă în domeniul

0,1...15A. Arcul de plasmă este stabil chiar dacă lungimea lui variază până

la 20 mm şi este folosit la sudura unor materiale cu secţiuni foarte mici

(până la 0,1 mm), a firelor, a unor ace şi filamente şi a altor componente

miniatură.


- cu plasmă generată cu o intensitate medie a curentului, de 15...100A,

având caracteristici apropiate de sudura convenţională în mediu inert TIG.

Datorită constrângerii arcului acesta are dimensiuni mai reduse şi

temperaturi mai mari, ceea ce duce la o adâncime superioară de penetrare

a materialelor şi o zonă influenţată termic mai mică.

- cu plasmă generată cu o intensitate ridicată a curentului, cu valori peste

100A. Acest procedeu este posibil doar prin creşterea debitului de gaz,

ceea ce conduce la obţinerea unor puteri specifice apropiate de cele ale

prelucrării cu fascicule dirijate.

Fig. 4.18. Forma cusăturii şi pătrunderea sudurii la plasmă şi TIG

Din punct de vedere al tehnicii de lucru se deosebeşte sudura cu plasmă

fără metal de adaos (SP) şi sudura cu plasmă cu material de adaos (SPM).

Pentru sudura fără metal de adaos a tablelor, acestea sunt aşezate cap la

cap, lăsând între ele o distanţă b, care depinde de grosimea tablelor. Apoi, se

trece peste piese generatorul de plasmă. Cusătura se formează numai din metalul

topit din capetele pieselor şi prin deplasarea generatorului de plasmă are loc

înaintarea topiturii. Metalul topit umple rostul şi se solidifică repede. La sfârşitul

cusăturii rămâne un gol completat cu plăcuţe de început şi sfârşit de cusătură.

Sudura cu plasmă fără material de adaos se face pentru grosimi până la 5-6 mm.

În cazul sudurii unor materiale cu grosimi mai mari se practică sudura cu

adaos de material metalic din aceeaşi compoziţie ca şi materialul ce va fi sudat.

[w 29, Săl, Cio]

Fig. 4.19. Principiul sudării cu material de adaos


Sudura globală se face prin două treceri. Prima trecere se poate face fără

metal de adaos pentru cusătura rădăcinii. A doua trecere se face pentru a umple

rostul cu un unghi de 60...90º şi pentru formarea băii de sudură. Cusătura finală

se obţine prin avansul progresiv al băii de metal topit prin grosimea pieselor.

Jetul de plasmă trebuie să fie suficient de puternic pentru a pătrunde complet în

grosimea pieselor, dar nu într-atât încât să expulzeze metalul topit din baia

formată.

Pentru îmbinări de calitate este necesară menţinerea şi protejarea băii de

material topit prin: utilizarea unor perne de flux ceramic, panglici speciale

adezive din fibră de sticlă sau insuflarea unui gaz protector inert la rădăcină (cu

debit de 10 ori mai mare decât debitul gazului plasmagen).

prel plasma

Documents